Abstract Decreasing oil reserves, the need to reduce CO2 emissions and increasing energy demand are issues that are forcing scientists to search for new opportunities in the field of energy. As a result, biofuels have been considered as one possible solution to solve part of these challenges. This research is one small part of that effort. For both human and economic reasons the use of edible raw materials for biofuel production is not sustainable. This study aims to convert forest industry waste, namely fibre sludge, into reducing sugars (glucose). This platform chemical can then be converted to value-added products, biofuels such as ethanol or butanol for example. Depolymerisation of fibre sludge (cellulose) to glucose monomers was performed firstly by pretreatment with ionic liquids [BMIM]Cl and [AMIM]Cl and secondly hydrolysed by acids (dilute maleic and sulphuric acids) and enzymes. To go further with the research the two pretreatment steps, dissolution and hydrolysis were combined into a one-step reaction by using a task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl. With the ionic liquid [AMIM]Cl used for pretreatment in this study, we were able to recover 85% of sugars relative to the initial dry mass of the fibre sludge. Corresponding yield was about 30% without pretreatment. The task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl was able to dissolve and hydrolyse fibre sludge in a one-step reaction. This ionic liquid was also able to dissolve wet fibre sludge with a moisture content of up to 50%. Enzymatic hydrolysis of [AMIM]Cl pretreated fibre sludge showed also very promising yields of reducing sugars. / Tiivistelmä Biotaloudessa keskeisiä globaaleja haasteita ovat kasvava energiantarve, vähenevät fossiiliset öljyvarannot sekä tarve vähentää energiantuotannon ja liikenteen hiilidioksidipäästöjä, mikä on lisännyt viime vuosina aktiivisuutta biopolttoainetutkimuksen saralla. Biopolttoaineet voidaankin nähdä eräänä mahdollisuutena lisätä uusiutuvien luonnonvarojen käyttöä sekä siten edistää vähähiilistä taloutta. Uusien kestävän kehityksen periaatteita noudattavien energiantuotantomenetelmien kehittämisessä on suosittava biomassoja, jotka eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa samoista raaka-aineista. Tässä suhteessa erityisen keskeisessä asemassa ovat mm. teollisuuden sivutuotteet, joita myös tässä työssä on tutkittu. Väitöskirjatutkimuksessa biomassaraaka-aineena on käytetty selluteollisuuden sivutuotteita, erityisesti kuitulietettä. Kuitulietteessä on korkea selluloosa- ja hemiselluloosapitoisuus, minkä vuoksi se soveltuisi ns. platform-kemikaalien valmistuksen raaka-aineeksi ja edelleen arvokkaiden kemikaalien ja polttoaineiden valmistukseen. Tutkimuksessa tavoitteena on ollut kuitulietteen sisältämien polymeerien liuottaminen ja hydrolyysi pelkistyneiksi sokereiksi, erityisesti glukoosiksi, mahdollisimman korkealla saannolla. Kuitulietteen, kuten yleensäkin selluloosan, haasteena on sen niukkaliukoisuus perinteisiin liuottimiin. Tämän vuoksi kuitulietettä esikäsiteltiin ionisissa liuottimissa ([BMIM]Cl ja [AMIM]Cl), jotta depolymerisaatio glukoosimonomeereiksi olisi mahdollinen korkealla saannolla. Esikäsittelyn jälkeen hydrolyysi tehtiin joko laimealla hapolla tai entsymaattisesti. Esikäsittelyä tutkittiin myös ns. spesifisessä ionisessa liuottimessa ([SBMIM]Cl), jossa kuitulietteen liukeneminen ja hydrolyysi tapahtuivat yhdessä vaiheessa. Esikäsittely [AMIM]Cl:ssa mahdollisti sen, että alkuperäisen kuivan kuitulietteen sokereista saatiin talteen 85 % entsymaattisen hydrolyysin jälkeen. Ilman esikäsittelyä vastaava saanto oli noin 30 %. Ionineste, [SBMIM]Cl, onnistui liuottamaan ja hydrolysoimaan kuitulietteen yhdessä vaiheessa, tosin sokerisaannot jäivät alhaisiksi. Märkä kuituliete, jonka kosteuspitoisuus oli 50 %, liukeni myös tähän ioninesteeseen.

Abstract New methods are being sought for the production of chemicals, fuels and energy from renewable biomass. Lignocellulosic biomass consists mainly of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose and hemicellulose can be converted to their building blocks, i.e. sugars, via hydrolysis. This thesis is focused on glucose production from cellulose by dilute acid hydrolysis. Acid hydrolysis has the drawback of limited glucose yields, but it has the potential to become a short-term solution for biochemical production. During acid hydrolysis, the cellulose chain is split into glucose, which undergoes further decomposition reactions to hydroxymethylfurfural, levulinic acid, formic acid and by-products like insoluble humins. The present thesis aims to increase our knowledge on complicated acid-catalysed hydrolysis of cellulose. Glucose decomposition and cellulose hydrolysis were studied independently in laboratory experiments. Kinetic modelling was used as a tool to evaluate the results. The effect of the hydrogen ion on the reactions was evaluated using formic or sulphuric acid as a catalyst. This thesis provides new knowledge of cellulose hydrolysis and glucose decomposition in formic acid, a novel catalyst for high-temperature dilute acid hydrolysis. Glucose yields from cellulose hydrolysed in formic or in sulphuric acid were comparable, indicating that a weak organic acid could function as a cellulose hydrolysis catalyst. Biomass fibres in the form of wheat straw pulp were hydrolysed more selectively to glucose than a model component, microcrystalline cellulose, using formic acid. Glucose decomposition took place similarly in formic and sulphuric acid when the temperature dependence of the hydrogen ion concentration was taken into account, but a significant difference was found between the reaction rates of cellulose hydrolysis in formic acid and in sulphuric acid. The observations can be explained by changes in the cellulose hydrolysis mechanism. Thus, it is proposed in this thesis that side-reactions from cellulose to non-glucose compounds have a more significant role in the system than has earlier been understood. / Tiivistelmä Uusia menetelmiä etsitään kemikaalien, polttoaineiden ja energian valmistamiseen uusiutuvasta biomassasta. Eräs biomassa, ns. lignoselluloosa, koostuu pääasiassa selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Selluloosa ja hemiselluloosa voidaan muuttaa hydrolyysin avulla niiden rakennuspalikoikseen eli sokereiksi. Tämä väitöskirja keskittyy glukoosin tuottamiseen selluloosasta laimean happohydrolyysin menetelmällä. Happohydrolyysi kärsii rajoittuneesta glukoosin saannosta, mutta sillä on potentiaalia tulla lyhyen aikavälin ratkaisuksi biokemikaalien tuotannossa. Happohydrolyysin aikana selluloosaketju pilkkoutuu glukoosiksi, joka reagoi edelleen hajoamisreaktioiden kautta hydroksimetyylifurfuraaliksi, levuliini- ja muurahaishapoiksi ja kiinteäksi sivutuotteeksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on kasvattaa ymmärrystämme monimutkaisesta happokatalysoidusta selluloosan hydrolyysistä. Glukoosin hajoamista ja selluloosan hydrolyysiä tutkittiin erikseen laboratoriokokein. Kineettistä mallinnusta käytettiin työkaluna arvioimaan tuloksia. Vety-ionien vaikutus reaktioihin arvioitiin käyttämällä muurahais- ja rikkihappoja katalyytteinä. Tämä väitöskirja antaa uutta tietoa selluloosan hydrolyysistä ja glukoosin hajoamisreaktioista muurahaishapossa, joka on uusi katalyytti korkean lämpötilan laimean hapon hydrolyysissä. Glukoosisaannot muurahaishappo-hydrolysoidusta selluloosasta olivat vertailukelpoisia vastaaviin rikkihappo-hydrolyysi saantoihin. Tämä viittaa siihen, että heikko orgaaninen happo voisi toimia selluloosahydrolyysin katalyyttinä. Kun katalyyttinä käytettiin muurahaishappoa, vehnän oljesta tehdyt kuidut hydrolysoituivat selektiivisemmin glukoosiksi kuin mallikomponenttina toimineen mikrokiteisen selluloosan. Kun vetyionikonsentraation lämpötilariippuvuus otettiin huomioon, glukoosi hajosi samalla tavalla sekä muurahais- että rikkihappokatalyytissä, mutta merkittävä ero havaittiin selluloosahydrolyysin reaktionopeudessa. Havainnot voidaan selittää selluloosahydrolyysin mekanismissa tapahtuvilla muutoksilla. Väitöskirjassa esitetään, että sivureaktioilla selluloosasta ei-glukoosi-tuotteiksi on merkittävä vaikutus systeemiin.